高中生动能定理心智模型的研究

王娇++李文婷++张红洋

摘要：心智模型是一种存在潜意识中的思维定势，对我们的思维和行动有很大影响，了解学生的心智模型可以深入理解隐藏在学生头脑中的思维结构，在了解学生心理特点和规律的基础上进行教学可以提高教学效率和教学质量.动能定理是高中物理中一节重要的规律课，应用范围比较广，是高考常考的内容之一，具有重要的研究意义.本文采用二段诊断法和非结构访谈法研究了高一年级学生关于动能定理的心智模型.结果表明，学生的心智模型具有多样性、情境依赖性、不稳定性等特点，并根据研究结果提出了相关教学建议

关键词：动能定理；心智模型；二段诊断法；非结构访谈法

作者简介：王娇（1991-），女，研究生，研究方向课程与教学论；李文婷（1991-），女，研究生，研究方向课程与教学论；

张红洋（1973-），男，副教授，博士，研究方向物理教育研究.

学生的个体差异对学习效果的影响是教育研究中的一个重要的课题.建构主义认为，对事物的理解不是简单由事物自己决定的，事物信息要被人理解，这依赖于个体原有的知识经验，不同人的理解常常会因此有所不同.心智模型是外部世界在个体头脑内部的表征，用来解释人们在学习过程中对事物和现象的理解.学生受环境、已有知识、思维习惯等的影响，学习过程中构建出不同的心智模型，学生构建的心智模型代表他们如何理解某一知识，不同的心智模型代表了他们不同的理解，学生们表现出来的学习效果也因此而不同.近年来心智模型在各个领域引起了人们的重视，2012年美国颁布的《K-12科学教育的框架：实践，跨学科概念与核心概念》也将心智模型写入课程文件，对心智模型的研究具有重大意义.

动能定理是高中物理中一节重要的规律课，是功能关系的重要体现，应用范围比较广，是高考常考的内容之一，具有研究意义.本文通过对高一年级学生关于动能定理心智模型的研究主要完成两个任务：（1）挖掘学生关于动能定理的心智模型；（2）提出相关的教学建议.

1心智模型简介

心智模型最早是由苏格兰心理学家克雷克（Craik）1943年在《The Nature of Explanation》中提出的，他认为心智模型是心智将现实构建成“小型的模型”，并用它来对事件进行预测、归因以及做出解释.之后这一术语被认知心理学家和认知科学家所采用，普利斯顿的约翰逊·莱尔德（Johnson·laird）教授认为心智模型是用来解释人们在学习过程中对事物和现象的理解.美国麻省理工学院心理学家彼得·圣吉在他的著作《第五项修炼》中指出心智模型是一种深植于人们心中对周围及世界的看法和采取的行动.心智模型就像一个滤镜一样会限制我们的注意力，不同的人在观察同一件事情时关注的细节不一样，所以对事情的描述也不一样，正所谓“一千个观众眼里就有一千哈姆雷特”.心智模型不仅决定我们看到的东西，还决定我们的行动.本文以高中生关于动能定理的心智模型为例进行研究.

2研究方法

21样本选取

样本选自陕西省洛南中学高一年级，在高一年级普通班中随机抽取两个班进行调查，普通班的学生学习层次分明，调查更有代表性.样本总容量是86人，女生40人，男生46人，学生所用物理教材是人教版必修2，动能定理分布在第七章第2节，本研究是在学生学习完动能定理课程并完成课后及配套练习之后开展的.

22研究方法

研究方法采用二段诊断法和非结构访谈法.二段诊断法（Two-stage test）指学生在作答后还要给出作答的解释和过程，使内隐于学生头脑内部的心智模型显化.二段诊断法是通过学生的书面表达形式了解学生的心智模型，用非结构访谈法来补充学生不能用二段诊断法表达清楚的项目，更准确地了解学生的心智模型.试题包括7道选择题和2道计算题，分为三个主题：（1）功能关系的理解；（2）对动能定理定义的理解；（3）对动能定理的应用.调查结果如表1所示.

3结果分析

3.1功能关系心智模型

动能定理是功能关系的一种具体表现，学生理解功能关系是理解动能定理的基础，如表2所示，学生功能关系的心智模型主要有4种：（1）功是能量转化的量度；（2）功是物体能量的量度；（3）功可以转化为能量；（4）功和能一样.在调查中发现，学生对于功和能这两个概念的理解偏差影响了学生对功能关系心智模型的构建，对功和能概念，学生更不容易理解能量，学生对能量的理解仅限于对教材上定义的字面意思，没有理解其本质.

3.2动能定理定义理解的心智模型

动能定理描述了合外力做的功与动能改变量之间的关系.如表3所示，学生关于动能定理定义理解的心智模型主要有：（1）合力做的功为零，合力一定为零；（2）合外力为做的功为零，动能改变量为零，合力不一定为零；（3）合外力做的功为零，单个力做的功不一定为零，物体的动能可能改变；（4）如果物体做变速运动，物体的动能一定改变，合外力做的功一定不为零.心智模型为（1）、（3）、（4）的学生对动能定理的定义理解错误或片面，他们形成这样的心智模型的主要原因是对功、速度等概念理解片面.对于心智模型为类型（1）的学生，潜意识里“力”是影响做功大小的主要因素，忽略了功的大小还受位移、力和位移所成角度的影响；心智模型为类型（3）的学生认为只要有力做功物体的动能就会改變，这源于教材中对动能定理的定义，且教材是以一个力做功为例来推导动能定理的，学生在学习过程中偏重记忆公式造成了学习的负迁移；心智模型为类型（4）的学生对速度的理解比较片面，潜意识里认为速度的改变只有速度大小的改变，忽略了速度的改变还包括方向的改变.

3.3动能定理应用的心智模型

物理是一门与实践接触特别紧密的学科，学生不仅要理解动能定理的定义，还要能够在具体的情景中应用动能定理，用动能定理解释生活和生产中的现象.动能定理的适用范围比较广，表4统计了学生在运用动能定理解决直线运动问题、曲面问题、图象问题滑块滑板模型时的作答情况.表4结果表明，同样的情景，不同学生有不同的理解，每道题学生都给出多种作答情况，可见学生在运用动能定理时的心智模型具有多样性.针对学生作答比较多的5题、7题和9题为例对学生动能定理应用的心智模型进行分析.

第5题要求学生运用动能定理解决图象问题，学生需要正确解读图象的物理意義并结合动能定理来解决问题.导致该题作答具有多样性主要有两种心智模型：（1）v-t图象面积表示是合外力做的功；（2）根据图象判断物体在整个过程中受恒力作用情况.在访谈过程中，脱离第5题题目情景问学生v-t图象面积的物理含义时，学生能立刻回答“物体的位移”，可见物理情景对学生的心智模型有较大的影响；第7题是一道滑板滑块模型的题目，导致第7题作答多样性的主要心智模型是在求解合外力做功时，学生所用的位移是滑块和木板之间的相对位移而不是物体的对地位移，学生在解决物理问题时习惯套用做题技巧，分析问题的心智技巧较差，学生对物理规律应用的灵活性较差；第9题是一道综合计算题问题，在这道题目的作答中，只有10%的人能够正确作答.在访谈中发现大多数学生能够以“定义”的形式理解动能定理，但对于具体的、复杂的物理情境却不知该如何入手，需要在教师的引导和帮助渡过从形象思维到抽象思维过渡的“思维断乳期”.

4结论与建议

4.1结论

通过对高一年级学生动能定理心智模型的调查和研究发现：（1）学生的心智模型具有多样性，同一知识在学生头脑内部的表现存在差异，不同学生构建了不同的心智模型；（2）学生对物理概念的理解是片面的，例如对于速度的改变的理解是速度大小的改变，认为力是影响做功大小的主要因素；（3）学生在学习过程中重结果轻过程，重记忆轻理解，学习态度比较功利；（4）学生的心智模型具有情境依赖性，同样的概念，学生在不同的情境中构建的心智模型不同.

4.2建议

421引导学生树立正确的物理学习态度

在应试教育的大环境下，学校仅以学生的考试成绩对学生进行评价，学生在学习过程中追求以分数为目标的高效学习，学习态度功利性较强，忽略了对物理概念本质的理解和物理核心能力的提升，将大量的时间花在练习做物理题上.教师在教学过程中起主导作用，在教学过程中引导学生树立正确的学习态度，在传授知识的同时提升学生的物理核心能力和物理学科品质.

422教师在教学过程中要挖掘学生的心智模型

传统的教学中重视宏观经验，传统测验只能观察学生宏观的外部表现，不能挖掘学生微观的心理特点和规律.心智模型可以反映学生的心理特点和规律，在了解学生心理特点的基础上进行教学，有利于因材施教的实施，提高教学效率和教学质量.教师在教学过程要多与学生进行交流并结合相关测验可以很好地了解学生的心智模型.

423教学中引入原始物理问题

原始物理问题是自然界及社会生活生产中客观存在且尚未加工的问题.原始物理问题只有对物理情境的描述而没有设置已知量和未知量，可以让学生感受到物理的实用价值和激发学生的物理学习兴趣，培养学生的创造性思维，促进学生构建正确的心智模型.

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